高壓電動(dòng)機(jī)納米絕緣材料

1 概述

熱管式冷卻技術(shù)的發(fā)明可以溯源于1942年申請(qǐng)并于1944年公布的美國(guó)專利，而實(shí)際上最早的成功應(yīng)用是在1964年美國(guó)的宇航技術(shù)上，隨后在各國(guó)科學(xué)界的努力下，熱管技術(shù)在理論設(shè)計(jì)、制造工藝以及應(yīng)用領(lǐng)域上都取得了極大發(fā)展。目前，作為一種成熟的冷卻技術(shù)，熱管作用高效傳熱元件已在許多工業(yè)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。我國(guó)從上世紀(jì)50年代由中科院力學(xué)所等單位開始開展此項(xiàng)技術(shù)的研究工作，并陸續(xù)研制成功各種熱管;80年代以后我國(guó)更多單位參與熱管技術(shù)的應(yīng)用研究，而且在電子工業(yè)、空間技術(shù)、能源工程等領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用。

對(duì)于熱管在電機(jī)的冷卻技術(shù)中的應(yīng)用早已有人提出，并取得了一定的成果，還研制出一些容量比較小的電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，但大多數(shù)工作仍處于試驗(yàn)研究階段，離實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用有一段距離。研究者或者僅是提出了高壓電動(dòng)機(jī)熱管式冷卻器的可行性研究論文[1>，或者僅綜述性地展望了熱管技術(shù)在電機(jī)冷卻方面的良好前景[2>，但正如文獻(xiàn)[2>作者十幾年前在文章結(jié)語(yǔ)中所說(shuō)，"熱管在電機(jī)冷卻中的應(yīng)用還處于試驗(yàn)探索階段，試驗(yàn)電機(jī)的容量都比較小。要實(shí)現(xiàn)熱管在電機(jī)冷卻(特別是大中型電機(jī))中的工業(yè)應(yīng)用，還要做大量的理論研究和試驗(yàn)分析工作。"我們?cè)谶M(jìn)行此項(xiàng)"高壓電動(dòng)機(jī)熱管式冷卻器研制"課題的研究、開發(fā)過(guò)程中，沒有可以模仿的先例，靠我們自己掌握的電機(jī)設(shè)計(jì)和制造基礎(chǔ)以及其它行業(yè)成功的熱管技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，依靠良鄉(xiāng)電力修造廠雄厚的電機(jī)生產(chǎn)能力，完全靠自己走出了一條大中型電機(jī)冷卻技術(shù)的新路。

為此，我們?cè)诖笾行透邏弘妱?dòng)機(jī)上應(yīng)用熱管冷卻技術(shù)方面進(jìn)行了探索性試驗(yàn)和應(yīng)用。

2 在火電廠大中型高壓電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用熱管技術(shù)的可行性

2.1 傳統(tǒng)列管式冷卻器存在的問(wèn)題

大中型高壓電動(dòng)機(jī)冷卻器目前廣泛采用列管式水-空型或空-空型結(jié)構(gòu)。運(yùn)行時(shí)水-空型冷卻器是冷卻管內(nèi)通冷卻水，電機(jī)內(nèi)部熱空氣在風(fēng)壓的作用下流過(guò)冷卻管的外表面，與管內(nèi)冷卻水進(jìn)行熱交換，達(dá)到冷卻電機(jī)的目的;空-空型冷卻器與水-空型冷卻器換熱原理一樣，只是冷卻管內(nèi)的冷卻水改成冷卻空氣而已。

若采用空-空換熱，即用外界冷空氣冷卻電機(jī)內(nèi)的熱空氣，熱空氣走管外，冷空氣走管內(nèi)，存在的問(wèn)題主要是管內(nèi)換熱面積小，流動(dòng)阻力大，冷卻器重量較重。

如果采用水-空換熱，則電機(jī)內(nèi)的熱空氣走管外，冷卻水走管內(nèi)，它存在原主要問(wèn)題是:

◆對(duì)冷卻器使用的銅管材要求高，否則將造成銅管的脫鋅腐蝕，由此導(dǎo)致泄漏，漏入電機(jī)的水會(huì)造成電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞事故;

◆對(duì)冷卻水的要求高，如果水不干凈或夾帶泥沙容易堵塞管子，冷卻器維護(hù)量大，要定期對(duì)冷卻器管子進(jìn)行沖洗和捅刷，一旦磨損致使水漏入電機(jī)，將造成電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞事故;

◆由于水溫低，很容易出現(xiàn)局部管壁溫度低于電機(jī)內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，凝結(jié)水夾帶在空氣中，將損壞電機(jī)的絕緣。

2.2 使用熱管式空氣冷卻器的優(yōu)點(diǎn)

熱管式冷卻器與上述兩種傳統(tǒng)冷卻器的換熱原理截然不同，利用的是冷卻介質(zhì)物態(tài)變化時(shí)的熱效應(yīng)原理，即冷卻介質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)需要吸收熱量，由氣態(tài)變成液態(tài)時(shí)需要釋放熱量。這是一種全新的冷卻方式，為電機(jī)的冷卻開辟了新的途徑。

熱管式冷卻器代替常規(guī)的列管式冷卻器，將具有以下優(yōu)點(diǎn)。

a)對(duì)于空-空型換熱:

●利用熱管的高傳熱性能，將冷空氣的管內(nèi)換熱轉(zhuǎn)換為管外換熱，這樣就很容易擴(kuò)展

換熱面積，從而減少冷卻器的體積和重量;

●管外流動(dòng)阻力小。

b)對(duì)于水-空型換熱:

●水不在每根管子的管內(nèi)流，而在熱管-端管外流，只要隔板密封的好，就可以避免水漏到電機(jī)內(nèi);

●每根熱管都是獨(dú)立的傳熱元件，即使由于水沖磨損損壞，水也不會(huì)漏到空氣一側(cè)，這就能保證電機(jī)的安全運(yùn)行，而且，少數(shù)熱管的失效不會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)備的性能有什么影響。不像列管式冷卻器一旦泄漏，必須停機(jī)處理;

●設(shè)計(jì)上便于調(diào)節(jié)熱管的表面溫度，以保持在循環(huán)空氣的露點(diǎn)溫度以上，避免冷凝水滴出現(xiàn)在空氣中，保證對(duì)電機(jī)的絕緣要求。

2.3 熱管技術(shù)用于電機(jī)空氣冷卻器上需要解決的問(wèn)題

由于大型電機(jī)設(shè)備要求必須保證安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，熱管的設(shè)計(jì)和制作必須要滿足可靠性方面的苛刻要求。

熱管式冷卻器在高壓電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，主要技術(shù)難點(diǎn)是熱管型式、材料、工藝、尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和選擇，以及在實(shí)際施工改裝方面，要求在原有電機(jī)列管式冷卻器的空間上進(jìn)行改裝，冷卻效果原則上應(yīng)優(yōu)于原冷卻器，同時(shí)還要考慮控制生產(chǎn)成本等因素，盡量節(jié)約資金。

從目前熱管技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，無(wú)論是對(duì)空-空型換熱還是水-空型換熱，設(shè)計(jì)應(yīng)該說(shuō)比較成熟，工程設(shè)計(jì)參數(shù)也比較齊全。從我們對(duì)熱管技術(shù)的掌握情況來(lái)看，可供選擇的熱管類型包括管材和工質(zhì)，是能夠滿足我們的設(shè)計(jì)要求的。

為保證電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期可靠的工作，熱管材料和工質(zhì)的選擇以及制作工藝質(zhì)量的檢測(cè)等方面，需要嚴(yán)格把關(guān)，不能留下質(zhì)量隱患。

冷卻器容量的設(shè)計(jì)上，在考慮冷卻效果不低于原冷卻器的前提下，還要留有進(jìn)一步擴(kuò)展容量的空間，需要時(shí)可以靠增加熱管元件，方便地達(dá)到增大冷卻效果的目的。因此對(duì)熱管容量和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)對(duì)具體型號(hào)電動(dòng)機(jī)有相對(duì)準(zhǔn)確和具體的計(jì)算方案。

3 熱管式冷卻器

隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，目前可供選擇的材料、工藝以及設(shè)計(jì)參數(shù)都比較完備。具體的設(shè)計(jì)和計(jì)算，詳見本課題研制報(bào)告，不在此重復(fù)。

熱管冷卻器采用鋁軋翅片管，其結(jié)構(gòu)為分離式熱管結(jié)構(gòu)，這樣比較容易布置換熱面。

采用分離式熱管結(jié)構(gòu)便于布置電機(jī)循環(huán)氣流(熱氣流)和冷卻空氣(冷氣流)的流道，也減少了穿過(guò)隔板的管子根數(shù)，對(duì)密封有利。

此外，熱管冷卻器設(shè)計(jì)為冷、熱氣流完全逆流換熱，可以減少使用熱管的數(shù)量。

在熱管質(zhì)量保證方面，熱管工質(zhì)的選用要保證長(zhǎng)壽命和安全性，選用氨作為經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期考驗(yàn)的工質(zhì)，氨和鋁可以長(zhǎng)期相容，工作的溫度范圍也適合作空氣冷卻器使用，而且它的熱性能也非常好。

4 試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的選擇和安裝試驗(yàn)

根據(jù)良鄉(xiāng)電力修造廠正常的生產(chǎn)進(jìn)度，選擇了三臺(tái)不同型號(hào)的高壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了熱管式冷卻器的設(shè)計(jì)和計(jì)算，分別是YMKQ600-6型650kW6kV高壓電動(dòng)機(jī)、YMK600-6-10型630kW10kV高壓電動(dòng)機(jī)和YMKQ500-6型450kW6kV高壓電動(dòng)機(jī)，分別屬于三家不同的用戶，被拖動(dòng)設(shè)備全部是磨煤機(jī)。

我們?cè)诮?jīng)過(guò)詳細(xì)論證和計(jì)算以后，在三臺(tái)電動(dòng)機(jī)上分別安裝了熱管式冷卻器取代原設(shè)計(jì)的列管式冷卻器。

三臺(tái)電動(dòng)機(jī)中第一臺(tái)電機(jī)因某些客觀原因沒有進(jìn)行型式試驗(yàn)，但隨訪用戶反映電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況良好，未見異常。后兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)專門取同樣型號(hào)，僅冷卻器是傳統(tǒng)的列管式冷卻器，分別在北京重型電機(jī)廠進(jìn)行包括性能考核在內(nèi)的型式試驗(yàn)。4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的對(duì)比性試驗(yàn)結(jié)果顯示電動(dòng)機(jī)溫升有所降低，但不是十分明顯，這是因?yàn)闊峁茉O(shè)計(jì)時(shí)為控制試驗(yàn)成本，取用的熱管容量與原冷卻器容量比較接近，在實(shí)際安裝空間上留有一定的擴(kuò)展裕度，如果需要，完全可以再增大熱管容量，使溫度降得更多一些。

實(shí)際運(yùn)行和性能考核試驗(yàn)結(jié)果表明，我們?cè)诟邏弘妱?dòng)機(jī)上安裝熱管式冷卻器技術(shù)改造項(xiàng)目是成功的。

5 熱管冷卻器在電動(dòng)機(jī)冷卻技術(shù)上的應(yīng)用前景

熱管式冷卻器與傳統(tǒng)的列管式空-空型或水-空型冷卻器相比較，因換熱原理不同，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。首先是換熱效率高，其次是相應(yīng)的冷卻器重量輕，造價(jià)低，同時(shí)還不存在管道堵塞問(wèn)題，使維護(hù)工作量減少，由于不用水，也就不存在漏水引起的電動(dòng)機(jī)故障問(wèn)題，對(duì)節(jié)約水資源也大為有益。熱管式冷卻器首次在高壓電動(dòng)機(jī)上的成功應(yīng)用顯示應(yīng)用前景十分可觀。

1)在大中型高壓電動(dòng)機(jī)上更換傳統(tǒng)的列管式空-空型冷卻器，可以改善冷卻效果，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命，并減少了冷卻系統(tǒng)故障，從而提高了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠性。

2)在大中型高壓電機(jī)上更換傳統(tǒng)的水-空型冷卻器，可以節(jié)約大量的水資源，在我國(guó)北方缺水地區(qū)具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

3)若在大型發(fā)電機(jī)上更換傳統(tǒng)的水-空型氣體(氫氣或空氣)冷卻器，既達(dá)到降低發(fā)電機(jī)溫升、提高出力能力的重要目的，還可以節(jié)約大量的水資源。

4)我們這次只開發(fā)了空-空型熱管式冷卻器，今后若開發(fā)水-空型熱管式冷卻器，只需將熱管的冷端通水冷卻即可，這種熱管式冷卻器熱端置于電機(jī)頂部，與電機(jī)內(nèi)部熱空氣進(jìn)行換熱，而把熱管冷端或置于電機(jī)頂上最上部，或置于電機(jī)側(cè)面，防止漏水引起電機(jī)故障，進(jìn)一步的研究有待于將來(lái)繼續(xù)進(jìn)行。

5)發(fā)電機(jī)的冷卻器，無(wú)論是空氣冷卻器(如大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)和抽水蓄能發(fā)電-電動(dòng)機(jī)、全空冷的汽輪發(fā)電機(jī))還是氫氣冷卻器(如采用氫氣冷卻的大多數(shù)大型汽輪發(fā)電機(jī))，其基本工作原理都與電動(dòng)機(jī)的冷卻器一樣，盡管冷卻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有許多型式，但總體上說(shuō)仍屬于傳統(tǒng)的列管式冷卻器進(jìn)行熱交換范疇，我們?cè)陔妱?dòng)機(jī)上的成功經(jīng)驗(yàn)，為下一步進(jìn)行發(fā)電機(jī)冷卻器的改造打下了很好的基礎(chǔ)。發(fā)電機(jī)冷卻器的改造預(yù)期應(yīng)能取得類似電動(dòng)機(jī)的效果，如降低電機(jī)內(nèi)部溫升、減少冷卻器故障幾率、減少檢修工作量、提高設(shè)備可靠性等等，其經(jīng)濟(jì)效益將極為可觀。

6 應(yīng)用及效益分析

高壓電動(dòng)機(jī)熱管式冷卻器的應(yīng)用單位主要是各發(fā)電廠以及其它工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)電動(dòng)機(jī)檢修部門和電動(dòng)機(jī)制造廠。由于此類電動(dòng)機(jī)數(shù)量很多，并且在各種工業(yè)生產(chǎn)部門都屬于重點(diǎn)動(dòng)力設(shè)備，所以項(xiàng)目的應(yīng)用對(duì)象非常廣泛，應(yīng)用前景廣闊，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

由于熱管式冷卻器比傳統(tǒng)的列管式冷卻器換熱效率高，并且冷卻器重量較輕，造價(jià)較低，同時(shí)還不存在管道堵塞問(wèn)題，使維護(hù)工作量減少，由于不用水，也就不存在漏水引起的電動(dòng)機(jī)故障問(wèn)題，對(duì)節(jié)約水資源也大為有益，因此熱管式冷卻器在高壓電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

1)在電廠大中型高壓電動(dòng)機(jī)上更換傳統(tǒng)的列管式冷卻器，可以改善運(yùn)行條件和提高發(fā)電機(jī)組設(shè)備的可靠性，為電廠持續(xù)安全發(fā)電帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，通常減少一次發(fā)電設(shè)備非正常停運(yùn)事故，避免的直接經(jīng)濟(jì)損失以數(shù)百萬(wàn)元計(jì)算，間接經(jīng)濟(jì)損失更加巨大。

2)在大中型高壓電機(jī)上更換傳統(tǒng)的水-空型冷卻器，可以節(jié)約大量的水資源，在我國(guó)北方缺水地區(qū)具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。資料顯示，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)節(jié)水可達(dá)38萬(wàn)噸/年[1>。

3)若在大型發(fā)電機(jī)上應(yīng)用熱管式冷卻器，既可以達(dá)到降低發(fā)電機(jī)溫升、提高發(fā)電機(jī)可靠性的重要目的，還可以節(jié)約大量的水資源，其經(jīng)濟(jì)效益將極為可觀。

全國(guó)僅各發(fā)電廠(暫不考慮其它工業(yè)部門)在運(yùn)的帶舊式冷卻器的高壓電動(dòng)機(jī)數(shù)量為數(shù)千臺(tái)，做舊電動(dòng)機(jī)改造的應(yīng)用前景就非常廣闊，同時(shí)每年電力部門新投產(chǎn)的高壓電動(dòng)機(jī)有數(shù)百臺(tái)，采用此技術(shù)按保守計(jì)算，每年改裝或新生產(chǎn)合計(jì)不少于500臺(tái)，每臺(tái)冷卻器產(chǎn)值按1.5萬(wàn)元至2萬(wàn)元計(jì)算，利潤(rùn)按20%計(jì)算，則每年總的產(chǎn)值達(dá)到1千萬(wàn)元，利潤(rùn)超過(guò)200萬(wàn)元。

由于高壓電動(dòng)機(jī)數(shù)量巨大，并且在各種生產(chǎn)部門都屬于重點(diǎn)動(dòng)力設(shè)備，其冷卻器改造項(xiàng)目可以帶來(lái)改善設(shè)備運(yùn)行條件、增長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和提高設(shè)備運(yùn)行可靠性指標(biāo)，以及節(jié)約工業(yè)用水等好處，雖然每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的改造經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)還是有限的，但從整個(gè)部門、整個(gè)地區(qū)，甚至全國(guó)范圍來(lái)看，其創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益就極其可觀了。另外，若進(jìn)一步開發(fā)成功發(fā)電機(jī)冷卻器上的應(yīng)用技術(shù)，那么在單臺(tái)發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益就將更為可觀。

7 結(jié)論

熱管式冷卻器取代傳統(tǒng)的列管式冷卻器，在高壓電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用，可以給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能和檢修維護(hù)帶來(lái)明顯的好處。

首先設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臒峁苁嚼鋮s器可以降低電動(dòng)機(jī)的溫升，改善運(yùn)行狀態(tài)，提高運(yùn)行性能，其次是減少了冷卻器的維護(hù)工作量，并且基本上避免了向電動(dòng)機(jī)內(nèi)漏水的可能性，從而明顯地提高了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠性，這對(duì)保證發(fā)電廠發(fā)電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)疑具有重要的實(shí)際意義和廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

熱管式冷卻器在高壓電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，主要技術(shù)難點(diǎn)是熱管型式、材料、工藝、尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和選擇，以及在實(shí)際施工改裝方面，要求在原有電機(jī)列管式冷卻器的空間上進(jìn)行改裝，冷卻效果原則上應(yīng)優(yōu)于原冷卻器，同時(shí)還要考慮控制生產(chǎn)成本等因素，在初步探索性研究的熱管容量設(shè)計(jì)方面，已經(jīng)留有一定的裕度。

針對(duì)三臺(tái)不同容量的高壓電動(dòng)機(jī)的空-空型熱管式冷卻器的設(shè)計(jì)和安裝是成功的。如果還需要再提高冷卻器冷卻效果，只需再增加幾只熱管就可以解決。

根據(jù)空-空型熱管式冷卻器的研制開發(fā)成功經(jīng)驗(yàn)，我們確信完全可以進(jìn)一步開發(fā)電動(dòng)機(jī)水-空型熱管式冷卻器和汽輪發(fā)電機(jī) 用的水-空型熱管式氣體(氫氣或空氣)冷卻器，擴(kuò)大熱管式冷卻器在電廠電機(jī)設(shè)備的應(yīng)用范圍。